生物分离工程第五章萃取.

Chapter5SolventExtraction(Partition)萃取Thedefinitionofextract萃取的概念Twoclassificationsofliquid-liquidextract液－液萃取从机理上分析可分为哪两类？Thecompositionofnormalphysicalextract常见物理萃取体系由那些构成要素？Extractcoefficientanditsinfluenceelements何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？Thecalculatingmethodofsinglestageextract掌握单级萃取过程的计算解析方法。Thestagescalculatingmethodofmulti-stageextract掌握多级萃取萃取级数的计算方法。SFEanditscharacteristic何谓超临界流体萃取？其特点有哪些？Aqueoustwophaseextractanditscompositionsystem何谓双水相萃取?常见的双水相构成体系有哪些？Thecompositionofreversemicelleanditsextractingmechanism反胶团的构成以及反胶团萃取的基本原理。Theprogressofextracttechniques萃取技术应用及研究进展KnowledgepointsExtract-normalunitoperationinbio-seperationengineering萃取是生物分离中常用的单元操作RawmaterialspretreatmentBioreactionengineeringBio-seperationBioproducts固液分离分离提取纯化精制︷离子交换萃取Extractionisaseparationprocessconsistingintheseparationofasubstancefromamatrix.ItincludesLiquid-liquidextraction,andSolidphaseextraction.利用在两个互不相溶的液相中各种组分（包括目的产物）溶解度的不同，从而达到分离的目的（萃取剂、萃取液、萃余液）Theextractionclassifications萃取的分类：Byphysicalconditionsofextractsolventsandmaterials:L-Lextraction,L-SextractionandSFE根据萃取剂和原料的物理状态分：液液萃取（有机溶剂萃取、双水相萃取、液膜萃取和反胶束萃取等），液固萃取，超临界流体萃取等Byextractionmechanism:Physicalandchemicalmethods.根据萃取原理分：物理萃取，化学萃取（络合反应、离子交换反应、离子缔合反应加合反应和带同萃取反应等）Byoperationways:batchandcontinuous.根据操作方式分：分批萃取，连续萃取Byextractionflowsheet:singlestageextractionandmultistageextraction.根据萃取流程分：单级萃取，多级萃取（多级错流萃取、多级逆流萃取和微分萃取）萃取利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力，分离过程纯属物理过程萃取体系的构成溶质：被萃取的物质原溶剂：原先溶解溶质的溶剂萃取剂：加入的第三组分萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大的溶解度（likedissolveslike相似相溶）Physicalextraction物理萃取杂质溶质原溶剂萃取剂LightphaseHeavyphase分配常数、分配系数、相比、分离系数分配常数、分配系数、相比、分离系数是衡量萃取体系是否合理的重要参数：（1）分配常数A：y-----平衡时溶质X在轻相（l）中的浓度X-----平衡时溶质X在重相（h）中的浓度（2）分配系数K（3）相比R（4）分离系数βxyA/见教材P65例子（1）氯化三辛基甲铵为萃取剂萃取氨基酸：R+Cl-+A-=R+A-+Cl-（2）蛋白质萃取（含物理和化学萃取）化学萃取：萃取剂和溶质之间发生化学反应由物化理论可知：萃取操作达到平衡时，溶质在轻相和重相中的化学势相等。)()(hl单级萃取分配常数为分配常数的对数值与标准状态下的化学势的差值有关])()(exp[RTlhxyk因此，要提高溶质的分配常数，必须提高标准状态下，其在重相与轻相的化学势之差可以采取的方法：改变溶剂改变溶质的特性生成有用离子对－－可溶于萃取剂的离子对将强酸弱碱盐或强碱弱酸盐生成弱酸弱碱盐通过改变原溶剂中的pH值使含溶质的溶液（H）和萃取剂（L）接触混合，静止后分成两层。单级萃取连续逆流萃取装置假定传质处于平衡状态有kxyy－萃取相中溶质的浓度x－萃余相中溶质的浓度由质量守恒定律：LyHxLyHx00单级萃取过程的解析计算方法由以上两式可得：并有：初始萃取相中溶质浓度为零（y0=0）（课堂推导）Ekxy10其中萃取因子：HkLEExx10若P为萃取回收率EEHxLy10是工业生产最常用的萃取流程分离效率高产品回收率高溶剂用量少包括多级错流和多级逆流萃取多级萃取多级错流萃取流程萃取剂L1,y0萃取剂L2,y0萃取剂Ln-1,y0萃取剂Ln,y0料液H,xF=x012n-1nx1x2xn-2xn-1xny1y2yn-1ynE=kL/H（E萃取因子，k分配系数）如果通过每一级的萃取剂流量均相等（=L）则萃取分率：1-φn=[(1+E)n-1]/(1+E)n如果通过每一级的萃取剂流量不相等，则萃取分率：Φn’=1/∏(1+Ei)SPP68-69三级错流萃取装置a—艾德连式三级错流萃取装置b—泵混合分离器三级错流萃取装置c—加挡－齐格勒接触器三级错流萃取装置d—霍米－莫脱接触器=133多级逆流萃取12n-1nH,x1x2yn-2xn-1xnL1,y0y1y2yn-1yn,Lxn+1,Hx3确定要达到一定的回收率所需萃取的级数E=kL/H（E萃取因子，k分配系数）1-φn=(En+1-E)/(En+1-1)1-φn=n/(n+1)(φ萃余分数）(E=1时，据罗比塔极限法得之）液膜萃取膜分离是较为高效的生物分离技术，但传统固体膜尚存在选择性低、易污染和通透量小的缺点，所以人们试图改变固体高分子膜的状态，使穿过膜的扩散系数增加、膜的厚度变小，从而使透过速度跃增，并再现生物膜的高度选择性迁移。20世纪60年代诞生——液膜分离技术，又称液膜萃取法。该法是一种以液膜为分离介质，以浓度差为推动力的膜分离技术，属液液萃取。液膜概念：是一种很薄的液体（称为液相），这层液膜可以是水溶液，也可以是有机溶剂，它使2个组成不同而又互溶的溶液隔开，通常被隔开的溶液是水溶液，膜相则是与上下水相都不溶的油性物质，通过渗透作用达到选择性分离。水型液膜和油型液膜同时进行萃取和反萃取是液膜萃取的一大特点液膜组成：膜溶剂：一般是高分子烷烃或异烷烃类物质表面活性剂：稳定油水分界面的重要组成，相当于生物膜类脂双分子层的亲水端，含量在1%-5%流动载体：相当于生物膜的蛋白质载体膜增强剂：液膜分类（p87-88）乳状液膜：（W/O)/W型和(O/W)/O型，在生物分离中主要是（W/O)/W型支撑液膜：流动液膜：液膜萃取机理单纯迁移：又称物理渗透促进迁移：又称反萃取化学反应促进迁移载体输送液膜分离操作液膜材料的选择：包括流动载体的选择、表面活性剂的选择、膜溶剂的选择液膜分离过程：包括液膜制备、液膜萃取、分离澄清和破乳（p93）影响液膜分离的因素：液膜组成体系的影响、液膜分离工艺条件的影响乳化液膜分离条件技术的工艺流程乳化液膜的优点：工艺流程:液膜制备、液膜萃取、分离浓缩、破乳（离心法、加热法、相转移法、化学法和电破乳法）液膜分离存在的问题：液膜破裂：原因（1）搅拌产生的剪切力（2）过大的内相尺度（3）粗劣的膜相组成后果（1）液膜分离效率下降，把已分离进入内相的溶质又送回外相，再依赖还未破裂的乳化液膜重新分离。（2）外相变化，使分离难度上升应对措施（1）改变膜配方（2）根据经验，合理选择操作条件膜膨胀：概念：是一种传递外相水溶液进入内相的过程。它是自由水的进入，不是内外水相交换。原因：外相盐浓度低，水活性高；内相盐浓度高，水活性低混合－沉降器旋转圆筒萃取塔离心萃取器填充塔喷雾塔旋转圆盘塔常用萃取设备萃取液萃余液加料混合-澄清器萃取结构离心萃取器原理：转盘萃取塔是常用的液-液萃取工业设备，由塔身（1）、上分离段（2）、下分离段（3）和转轴（4）组成。在塔身水平安装了一系列中心开孔的定环（5），将塔身分隔成一系列小室，每个小室有一旋转的平滑圆盘——转盘（6），这些圆盘安装在位于塔中心的转轴上。重相从塔身上部入塔，从下分离段下部流出，轻相从塔身下部入塔，从上分离段流出。两相在一系列转盘和定环之间作逆向流动，形成逆向萃取旋转圆盘萃取塔超临界流体：当一种流体处于其临界点的温度和压力之下，则称之为超临界流体。特点：密度接近液体－－萃取能力强粘度接近气体－－传质性能好超临界流体萃取(SupercriticalFluidExtraction)在临界点附近，P上升或T下降则溶剂的ρ大幅度增加，对溶质溶解度大幅度增加，有利于溶质的萃取；而P下降或T上升，则相反，有利于溶质的分离和溶剂的回收。利用超临界流体的特殊性质，使其在超临界状态下，与待分离的物料接触，萃取出目的产物，然后通过降压或升温的方法，使萃取物得到分离物质在超临界流体中的溶解度与流体密度之间的关系如下：lnc=mlnρ+b（m和b与萃取剂及溶质的化学性质有关）常用萃取剂极性萃取剂：乙醇、甲醇、水（难）非极性萃取剂：二氧化碳（易）超临界流体萃取的基本思想临界点：T：304.1K,P：73.8bar优点：缺点：投资成本高超临界萃取同时具有液相萃取和精馏的特点其萃取能力取决于流体的密度，而密度很容易通过调节温度和压力来控制萃取工艺可以不在高温下进行，特别适合于热稳定性差的物质操作压力可以根据分离对象选择适当的萃取剂或添加夹带剂来控制溶剂易回收，溶质易分离CO2惰性、无味、无毒、安全。超临界二氧化碳萃取（SupercriticalCarbonDioxideExtraction）超临界二氧化碳萃取流程图等温法等压法吸附法超临界萃取典型流程(p113)咖啡因萃取（=ala0）植物油：胚芽油、玉米油、γ亚麻酸天然香料：杏仁油、柠檬油啤酒花（=ala0）尼古丁中药有效成分的提取分离超临界流体的应用大型超临界流体萃取装置双水相萃取技术开始于20世纪60年代，但早在1896年Beijerinck就已发现，当明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶液相混时，得到一个浑浊而不透明的溶液，随之分为两相，上相含有大部分水，下相含有大部分琼脂，而二者的主要成分都是水。双水相现象是当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一溶剂时，由于聚合物之间或聚合物与盐之间的不相溶性，当聚合物或无机盐浓度达到一定值时，就会分成不互溶的两相。因使用的溶剂是水，因此称为双水相，在这两相中水分都占很大比例(85％一95％)，活性蛋白或细胞在这种环境中不会失活，但可以不同比例分配于两相，这就克服了有机溶剂萃取中蛋白容易失活和强亲水性蛋白难溶于有机溶剂的缺点。双水相萃取(AqueousTwoPhaseExtraction)双水相萃取是利用物质在不相溶的，两水相间分配系数的差异进行萃取的方法是否分层或混合成一相，取决于：熵增——与分子数目有关分子间作用力——与分子大小有关可以构成双水相的体系有：离子型高聚物－非离子型高聚